MIT在分子内造出微型对撞机，首次窥探原子核内部磁力分布

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我们都知道，宇宙是由物质构成的。根据现代科学界的主流理论，宇宙诞生之初，物质应该和反物质几乎一样多。但现今宇宙中可观测的绝大部分都由物质构成，反物质几乎不见踪影

（来源：MIT News）

科学家认为，要回答这个问题，就必须深入到最细微的层次——原子核内部。然而，原子核太小、太难观测。一直以来，科学家只能用像大型强子对撞机那样的巨型装置来“硬撞”出答案。

近日，来自美国麻省理工学院（MIT）的科学家与多个机构的科研人员合作，走出了一条完全不同的道路，将“对撞”过程微缩到了一个分子内部。他们使用一种名为氟化镭（225Ra19F）的放射性分子，成功在分子大小的空间内构建出一台“超微型粒子对撞机”，新方法提供了一种桌面级的替代方案，可直接探测原子内部结构。相关文章以题为“Observation of the distribution of nuclear magnetization in a molecule”发表在 Science 期刊。

放射性同位素 225Ra（镭-225，半衰期：14.9 天）含有 88 个质子和 137 个中子。与多数呈球形结构的原子核不同，镭原子核具有更不对称的构型，类似于一个梨的形状，被认为具有一种罕见的核八极形变。

梨形核为何重要？因为它更容易放大原子核内部极其微小的对称性破缺效应。而对称性破缺正是解释宇宙里反物质为何消失的关键。

但镭具有天然放射性，且寿命短，要“窥视”镭原子核内部并研究其基本对称性是一项极其棘手的工作。

因此，在这项研究中，团队将镭与氟原子结合，生成 225Ra19F 分子。在新的分子内部，镭原子的电子受到挤压，其分子内部电子所感受到的电场强度比实验室可施加的电场强数千倍。这增加了电子与镭原子核相互作用甚至短暂进入核内部的概率。

图 | 实验装置（来源：Science）

这就像在分子内部安装了一张超高能的显微镜，把原本模糊的核内部结构清晰放大。“分子本身就像一台迷你粒子加速器，我们可以借此真正看到原子核内部发生了什么。”MIT 物理学家 Silviu-Marian Udrescu 形象地表示。

此外，研究团队将分子俘获并冷却，置入真空系统中，并使用精密激光光谱技术测量了 225Ra19F 分子中电子能级的极细微变化。这些变化来源于电子穿透原子核时与核内部质子、中子的相互作用。

结果显示，电子的能量与理论中仅在核外发生相互作用时的预期值存在微小差异。尽管该能量偏移仅为激光光子能量的约百万分之一，但却是电子与原子核内部质子和中子发生相互作用的明确证据。

这也是世界上首次在分子体系中观测到核磁化分布效应（Bohr–Weisskopf Effect），其在原子物理中也称为玻尔-韦斯柯夫效应，指的是原子核的磁矩并非由一个理想的、无限小的点所产生，而是由核内质子和中子的磁化强度在有限大小的核体积内具体分布所决定的。简单来说，它描述了原子核的“磁铁”属性在空间上是如何展开的，而不仅仅是一个点磁铁。

此前该效应仅在简单原子中被观测到，而分子中由于电子结构更复杂，验证一直被视为“难题”。MIT 通过实验与先进量子化学计算相结合，使观测成为可能，标志着核物理实验精度迈入新阶段。

下一阶段，团队计划进一步利用该技术绘制核内部力分布图。目前实验中分子处于较高温度，镭原子核在分子中取向是随机的。研究人员希望进一步冷却并控制这些分子的核取向，从而更精确地绘制镭原子核内部结构，并寻找基本对称性破缺的直接证据。

1.S. G. Wilkins, S. M. Udrescu, M. Athanasakis-Kaklamanakis, R. F. Garcia Ruiz, et al. (2025). Observation of the distribution of nuclear magnetization in a molecule. Science, Vol 390, Issue 6771, pp. 386-389. DOI: 10.1126/science.adm7717

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